Die Welt der Physik und der Materialwissenschaften wurde kürzlich durch eine Entdeckung aufgewühlt, die die Tür zu einer völlig neuen Ära der Magnettechnologien öffnet. Wissenschaftler haben mit fortschrittlichen optischen Techniken erfolgreich bisher verborgene magnetische Eigenschaften und die grundlegenden Mechanismen hinter einem völlig neuen Magnettyp aufgedeckt. Im Zentrum ihrer Forschung, deren Details letzten Monat, genauer gesagt am 7. Juli 2025, in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Research veröffentlicht wurden, steht ein organischer Kristall, der als einer der vielversprechendsten Kandidaten für einen sogenannten „Altermagneten“ gilt. Diese neu entdeckte, dritte Klasse von magnetischen Materialien verspricht revolutionäre Veränderungen in der Entwicklung von Elektronik, Datenspeicherung und Quantencomputing. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ferromagneten, die Metalle stark anziehen, und Antiferromagneten, deren Magnetfelder sich gegenseitig aufheben, zeigen Altermagnete ein einzigartiges und bisher ungesehenes magnetisches Verhalten, das die Eigenschaften beider klassischen Gruppen auf faszinierende Weise vereint.

Altermagnetismus verstehen: Die dritte magnetische Kraft

Um die Bedeutung dieser Entdeckung zu verstehen, ist es notwendig, in die Grundlagen des Magnetismus einzutauchen. Ferromagnete, wie Eisen oder Nickel, sind Materialien, denen wir am häufigsten begegnen; ihre inneren magnetischen Momente oder Elektronenspins sind in die gleiche Richtung ausgerichtet und erzeugen ein starkes äußeres Magnetfeld. Andererseits sind bei Antiferromagneten benachbarte Spins in entgegengesetzte Richtungen orientiert, wodurch sich ihre Magnetfelder gegenseitig aufheben und das Material als Ganzes keine äußere Magnetisierung aufweist. Altermagnete stellen einen grundlegend anderen Ansatz dar. Obwohl sie wie Antiferromagnete keine Netto-Außenmagnetisierung haben, da sich ihre Spins ebenfalls aufheben, führen ihre innere Kristallstruktur und Symmetrie zu einem einzigartigen elektronischen Verhalten. Atome mit entgegengesetzten magnetischen Momenten in Altermagneten sind durch Kristallrotation oder Spiegelsymmetrie verbunden, was dazu führt, dass die elektronische Struktur des Materials eine von der Bewegungsrichtung der Elektronen abhängige Spinpolarisation aufweist. In der Praxis bedeutet dies, dass Altermagnete einen spinpolarisierten Strom leiten können, eine Eigenschaft, die bisher fast ausschließlich Ferromagneten vorbehalten war. Diese hybride Natur macht sie für die Anwendung in der Spintronik äußerst attraktiv, einem technologischen Zweig, der darauf abzielt, den Spin von Elektronen und nicht nur ihre Ladung für die Übertragung und Verarbeitung von Informationen zu nutzen.

Japanischer wissenschaftlicher Durchbruch in der Materialforschung

Ein Forschungsteam der Universität Tohoku in Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Satoshi Iguchi vom Institut für Materialforschung stand vor einer großen Herausforderung. „Im Gegensatz zu typischen Magneten, die sich gegenseitig anziehen, zeigen Altermagnete keine Nettomagnetisierung, können aber dennoch die Polarisation des reflektierten Lichts beeinflussen“, betont Iguchi. „Das macht sie mit herkömmlichen optischen Techniken extrem schwer zu untersuchen.“ Genau dieses Hindernis veranlasste sein Team, einen völlig neuen Ansatz zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit Kollegen des Japan Synchrotron Radiation Research Institute und den physikalischen Abteilungen der Universitäten Tohoku und Kwansei Gakuin wandte Iguchi eine neue, allgemeine Formel für die Lichtreflexion an, die direkt aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet wurde. Diese Formel ist auf eine breite Palette von Materialien anwendbar, einschließlich solcher mit niedriger Kristallsymmetrie, wie die organische Verbindung, die Gegenstand ihrer Forschung war. Durch die erfolgreiche Anwendung dieser theoretischen Innovation gelang es dem Team, die magnetischen Eigenschaften und den Ursprung des Altermagnetismus im beobachteten Kristall präzise aufzuklären.

Innovative optische Methode zur Aufdeckung verborgener Eigenschaften

Der neue theoretische Rahmen ermöglichte es den Wissenschaftlern, eine präzise optische Messmethode zu entwickeln und diese dann auf den organischen Kristall κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Cl anzuwenden. Ein Schlüsselelement ihres Experiments war die Messung des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE). MOKE ist ein Phänomen, bei dem sich die Polarisation des Lichts nach der Reflexion von der Oberfläche eines magnetisierten Materials ändert. Obwohl der Effekt selbst bekannt ist, stellte seine Anwendung auf Materialien ohne Nettomagnetisierung eine große Herausforderung dar. Mit ihrer neuen Methode gelang es dem Team, MOKE erfolgreich zu messen und aus diesen Daten das sogenannte außerdiagonale Spektrum der optischen Leitfähigkeit zu extrahieren. Dieses Spektrum liefert äußerst detaillierte Informationen über die magnetischen und elektronischen Eigenschaften des Materials und deckt Wechselwirkungen auf, die mit Standardmethoden sonst unsichtbar sind. Dieser Erfolg bestätigte nicht nur ihre theoretischen Annahmen, sondern demonstrierte auch die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten optischen Technik als Schlüsselwerkzeug für zukünftige Forschungen im Bereich des Altermagnetismus und verwandter Quantenmaterialien.

Organischer Kristall als Schlüssel zur Zukunft

Die Wahl des Materials für diese bahnbrechende Forschung war kein Zufall. Der organische Kristall κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Cl gehört zur Familie der sogenannten organischen Leiter, Materialien, die ihre Leitfähigkeit komplexen organischen Molekülen und nicht Metallatomen verdanken. Diese Materialien sind aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit, ihres geringen Gewichts und der Tatsache, dass ihre Eigenschaften durch chemische Modifikationen fein abgestimmt werden können, äußerst interessant. Der spezielle Kristall ist dafür bekannt, dass er sich an der Grenze zwischen einem Isolator und einem Metall befindet und bei niedrigen Temperaturen eine antiferromagnetische Ordnung aufweist. Seine komplexe, geschichtete Struktur und niedrige Symmetrie machten ihn zu einem idealen Kandidaten für die Überprüfung von Theorien über den Altermagnetismus. Die Bestätigung der altermagnetischen Natur in einer solchen organischen Verbindung ist besonders bedeutsam, da sie die Möglichkeit eröffnet, magnetische Geräte zu schaffen, die leicht, flexibel und potenziell biokompatibel sind, was bisher mit traditionellen magnetischen Materialien auf der Basis von Schwermetallen unvorstellbar war.

Das Spektrum der Entdeckung: Was die Daten sagen

Die Analyse des erhaltenen Spektrums der optischen Leitfähigkeit ergab drei Hauptmerkmale, die die altermagnetische Natur des Materials eindeutig bestätigen. Erstens wurden an den Rändern des Spektrums ausgeprägte Spitzen beobachtet, die auf eine spinabhängige Aufspaltung der Energiebänder (Spin-Band-Aufspaltung) hinweisen. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft, die die Existenz von spinpolarisierten Strömen ermöglicht und ein direkter Beweis dafür ist, dass das Material trotz null Magnetisierung eine innere magnetische Struktur ähnlich wie Ferromagnete besitzt. Zweitens ist die reale Komponente des gemessenen Spektrums mit der Verzerrung des Kristallgitters und den sogenannten piezomagnetischen Effekten verbunden, bei denen mechanische Spannungen eine Magnetisierung induzieren können. Drittens ist die imaginäre Komponente des Spektrums mit Rotationsströmen innerhalb des Materials verbunden, was eine weitere subtile Signatur einer ungewöhnlichen magnetischen Ordnung ist. Diese Ergebnisse zusammen klassifizieren nicht nur κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Cl fest in die Klasse der Altermagnete, sondern bieten auch einen tiefen Einblick in die grundlegenden physikalischen Mechanismen, die ihre exotischen Eigenschaften steuern.

Implikationen für zukünftige Technologie und Spintronik

Die Auswirkungen dieser Forschung gehen weit über die Grundlagenphysik hinaus. „Diese Forschung öffnet die Tür zur Untersuchung des Magnetismus in einer breiteren Klasse von Materialien, einschließlich organischer Verbindungen, und legt den Grundstein für die zukünftige Entwicklung von Hochleistungs-Magnetgeräten auf der Basis von leichten, flexiblen Materialien“, schließt Iguchi. Die potenziellen Anwendungen sind enorm, insbesondere im Bereich der Spintronik. Da Altermagnete einen spinpolarisierten Strom ohne Erzeugung externer Magnetfelder führen können, würden sie die Herstellung von wesentlich dichteren Speicherchips (MRAM) ermöglichen, die nicht unter gegenseitigen Störungen leiden würden. Dies würde zu schnelleren, kleineren und energieeffizienteren Computern und mobilen Geräten führen. Ihre Widerstandsfähigkeit gegen externe Magnetfelder macht sie ideal für die sichere Datenspeicherung. Auch die Geschwindigkeit, mit der der magnetische Zustand in Altermagneten geändert werden kann, gemessen in Terahertz, ist tausende Male schneller als bei Ferromagneten, was den Weg zu einer ultraschnellen Datenverarbeitung ebnet. Die Entdeckung altermagnetischer Eigenschaften in einem organischen Kristall könnte sogar zur Entwicklung neuer medizinischer Sensoren oder flexibler Elektronik führen, die in Kleidung oder sogar in den menschlichen Körper integriert werden kann.